Обмен веществ и энергии
Обмен белков
Белками (протеинами) называют высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Функции:
Структурная, или пластическая, функция состоит в том, что белки являются главной составной частью всех клеток и межклеточных структур. Каталитическая, или ферментная, функция белков заключается в их способности ускорять биохимические реакции в организме.
Защитная функция белков проявляется в образовании иммунных тел (антител) при поступлении в организм чужеродного белка (например, бактерий). Кроме того, белки связывают токсины и яды, попадающие в организм, и обеспечивают свертывание крови и остановку кровотечения при ранениях.
Транспортная функция заключается в переносе многих веществ. Важнейшей функцией белков является передача наследственных свойств, в которой ведущую роль играют нуклеопротеиды. Различают два основных типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).
Регуляторная функция белков направлена на поддержание биологических констант в организме.
Энергетическая роль белков состоит в обеспечении энергией всех жизненных процессов в организме животных и человека. При окислении 1 г белка в среднем освобождается энергия, равная 16,7 кДж (4,0 ккал).
Потребность в белках. В организме постоянно происходит распад и синтез белков. Единственным источником синтеза нового белка являются белки пищи. В пищеварительном тракте белки расщепляются ферментами до аминокислот и в тонком кишечнике происходит их всасывание. Из аминокислот и простейших пептидов клетки синтезируют собственный белок, который характерен только для данного организма. Белки не могут быть заменены другими пищевыми веществами, так как их синтез в организме возможен только из аминокислот. Вместе с тем белок может замещать собой жиры и углеводы, т. е. использоваться для синтеза этих соединений.
Биологическая ценность белков. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей в готовом виде. Эти аминокислоты принято называть незаменимыми, или жизненно-необходимыми. К ним относятся: валин, метионин, треонин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан и лизин, а у детей еще аргинин и гистидин. Недостаток незаменимых кислот в пище приводит к нарушениям белкового обмена в организме. Заменимые аминокислоты в основном синтезируются в организме.
Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот, называют биологически полноценными. Наиболее высока биологическая ценность белков молока, яиц, рыбы, мяса. Биологически неполноценными называют белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна аминокислота, которая не может быть синтезирована в организме. Неполноценными белками являются белки кукурузы, пшеницы, ячменя.
Азотистый баланс.
Азотистым балансом называют разность между количеством азота, содержащегося в пище человека, и его уровнем в выделениях.
Азотистое равновесие — состояние, при котором количество выведенного азота равно количеству поступившего в организм. Азотистое равновесие наблюдается у здорового взрослого человека.
Положительный азотистый баланс — состояние, при котором количество азота в выделениях организма значительно меньше, чем содержание его в пище, то есть наблюдается задержка азота в организме. Положительный азотистый баланс отмечается у детей в связи с усиленным ростом, у женщин во время беременности, при усиленной спортивной тренировке, приводящей к увеличению мышечной ткани, при заживлении массивных ран или выздоровлении после тяжелых заболеваний.
Азотистый дефицит (отрицательный азотистый баланс) отмечается тогда, когда количество выделяющегося азота больше содержания его в пище, поступающей в организм. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при белковом голодании, лихорадочных состояниях, нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового обмена.
Обмен липидов.
Липиды представлены в организме в основном нейтральными жирами (триглицеридами), фосфолипидами, холестерином и жирными кислотами. Жирные кислоты являются компонентами триглицеридов и фосфолипидов и делятся на ненасыщенные (линолевая и линоленовая) и насыщенные (стеариновая и пальмитиновая) жирные кислоты.
Роль липидов:
1. Пластическая роль липидов реализуется фосфолипидами и холестерином. Эти вещества участвуют в синтезе тромбоплатина, миелина, стероидных гормонов, желчных кислот, простогландинов, витамина D4, в формировании биологических мембран, обеспечении их прочности и биофизических свойств.
2. Жиры являются источником энергии.
3. Жиры выполняют защитную функцию. Холестерин входит в состав компонентов кожи и тем самым ограничивает абсорбцию водорастворимых веществ и некоторых химически активных факторов. Холестерин уменьшает потери воды через кожу. Жиры обеспечивают механическую фиксацию и защиту внутренних органов от механических повреждений. Подкожная жировая клетчатка является теплоизолирующим слоем.
4. Жиры являются источником образования эндогенной воды и являются депо энергии и воды.
5. Жировая ткань обеспечивает женщине резерв энергии, необходимый для вынашивания плода и грудного вскармливания. У взрослой женщины доля жировой ткани в организме – в среднем 20-25% массы тела – почти вдвое больше, чем у мужчины (соответственно 12-14%).
Биологическая ценность различных жиров зависит от соотношения содержания жиров животного и растительного происхождения. В частности, линолевая и линоленовая ненасыщенные кислоты представляют собой незаменимые факторы питания, так как не могут синтезироваться в организме из других веществ. Вместе с арахидоновой кислтой, которая образуется в организме из линолевой кислоты и в небольших количествах поступает вместе с мясной пищей, ненасыщенные жирные кислоты получили название витамина F. Роль этих кислот состоит в синтезе важнейших липидных компонентов клеточных мембран, которые существенно определяют активность ферментов мембран и их проницаемость. Полиненасыщенные жирные кислоты также являются материалом для синтеза простогландинов – регуляторов проницаемости мембран, возбудимости, интенсивности метаболизма.
Обмен углеводов.
Углеводы поступают в организм в основном в виде полисахаридов растительного (крахмал) и животного (гликоген) происхождений. Конечными продуктами их гидролиза в пищеварительном тракте являются: глюкоза (80% этих продуктов), также фруктоза и галактоза, которые всасываются в кровь и быстро превращаются в глюкозу. Глюкоза представляет собой общий конечный продукт транспорта углеводов кровью. Концентрация в плазме крови глюкозы – важный параметр гомеостазиса. Она колеблется в пределах 0,8-1,0 г/л (4,4-5,5 ммоль/л) через 3-4 часа после еды. Прием большого количества рафинированных углеводов до 1,4 г/л (7,7 ммоль/л) повышает концентрацию глюкозы у здорового человека.
Роль углеводов в организме и пути их преобразования:
1. Пластическая роль углеводов. Глюкоза, галактоза и другие сахара входят в состав гликопротеинов, гликолипидов, которые играют важную роль в рецептивной функции клеточных мембран. Пентозы входят в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Глюкоза необходима для синтеза некоторых липидов и аминокислот.
2. Энергетическая роль углеводов. В клетках глюкоза используется как источник энергии путем фосфорилирования при участии фермента гексокиназы или глюкокиназы. Основная часть глюкозы, пройдя ряд преобразований и включаясь в цикл Кребса, расходуется на синтез АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Более 90% углеводов расходуется для выработки энергии. В отсутствие кислорода АТФ может еще образовываться в течение нескольких минут за счет энергии гликолиза – анаэробного расщепления глюкозы. Существует также дополнительный путь энергетического использования глюкозы – без образования АТФ. Этот путь получил название пентозофосфатного или фосфоглюконатного. В печени он составляет около 30% преобразования глюкозы, в жировых клетках – несколько больше. Эта энергия расходуется для образования НАДФ, который служит донором водорода и электронов, необходимых для синтетических процессов – образования нуклеиновых и желчных кислот, стероидных гормонов. Количество гликогена в организме человека (депо углеводов) составляет в среднем 400 г. Гликоген есть во всех клетках организма, но больше его в скелетной мускулатуре (1-2% массы клеток) и гепатоцитах (5-8% массы клеток). Превращение глюкозы в гликоген или жир происходит в клетках печени и жировой ткани. Когда запасы углеводов низки, например, при стрессе, развивается глюнеогенез – синтез глюкозы из аминокислот и глицерина.
Регуляция обмена углеводов
Существуют два состояния углеводного обмена: гипергликемия и гипогликемия.
◦ Гипергликемия. Раздражение таламуса, дна четвертого желудочка мозга и коры больших полушарий ведет к гипергликемии. Гипергликемия не опасна для жизни, но может приводить к увеличению осмотического давления плазмы крови. При гипергликемии происходит повышение секреции инсулина, который является гормоном анаболического действия на углеводный обмен. Он в 10 и более раз повышает проницаемость к глюкозе клеточных мембран и скорость мембранного транспорта глюкозы. Клетки мозга, однако, не испытывают такого влияния инсулина. В печени инсулин тормозит образование глюкозы из аминокислот и стимулирует синтез гликогена.
Повышение секреции инсулина при гипергликемии происходит: 1) в результате непосредственного воздействия глюкозы на β-клетки поджелудочной железы; 2) путем активирующего влияния глюкозы на глюкорецепторы гипоталамуса. Соматотропный и кортикотропный гормоны гипофиза повышают уровень глюкозы в крови.
◦ Гипогликемия. При снижении концентрации глюкозы в крови (гипогликемии) ускоряется гликогенез – превращение гликогена в глюкозу – под влиянием фосфорилазы, активируемой гормоном поджелудочной железы глюкагоном и гормоном мозгового вещества надпочечников адреналином. В условиях некомфортной внешней среды возникает возбуждение термо-, хемо- и проприорецепторов, что приводит к активации подкорковых центров мозга, возбуждению симпатической нервной системы и увеличению секреции катехоламинов в надпочечниках. Тироксин, трийодтиронин снижают уровень глюкозы в крови.
Витамины.
Витамины – это биологически активные вещества, поступающие с пищей и необходимые для регуляции биохимических процессов. Источником витаминов является пища, а некоторые витамины синтезируются в организме в небольших количествах. Витамины делятся на водо- и жирорастворимые. В продуктах питания витамины находятся либо в активной, либо в неактивной форме. Во втором случае они называются провитаминами. Носителями ряда витаминов являются свежие продукты. В организме могут создаваться значительные запасы жирорастворимого витамина D и водорастворимых витаминов B12 и фолиевой кислоты. Запасы остальных витаминов должны постоянно пополняться. В кишечнике при участии микрофлоры синтезируются витамины K, B и биотин.
Витамины участвуют в регуляции метаболизма и клеточного дыхания (витамины группы В и никотиновая кислота), в синтезе жирных кислот, гормонов стероидной природы (пантотеновая кислота) и нуклеиновых кислот (фолиевая кислота, цианокабаломин), в регуляции процессов фоторецепции и размножения (ретинол), обмена кальция и фосфата (кальциферол), во многих окислительно-восстановительных процессах (аскорбиновая кислота, токоферол), в гемопоэзе и синтезе факторов свертывания крови (филлохиноны), а также обеспечивают особенно необходимое при экстремальных нагрузках антиоксидантное действие на мембраны (витамины А, С, Е).
Антиоксидантное действие витаминов обусловлено их способностью инактивировать токсические продукты преобразования в организме кислорода или так называемые свободные радикалы, содержащие во внешней орбите один непарный электрон. Повышенный прием витаминов, в частности А, С, Е, рекомендуется для сохранения здоровья у лиц, предрасположенных к стрессам, а также к сердечно-сосудистым и онкологическим заболеваниям, в развитии которых свободные радикалы играют большую роль.
Обмен минеральных солей и воды.
Все химические и физико-химические процессы, протекающие в организме, осуществляются в водной среде. Вода выполняет в организме следующие важнейшие функции: 1) служит растворителем продуктов питания и обмена; 2) переносит растворенные в ней вещества; 3) ослабляет трение между соприкасающимися поверхностями в теле человека; 4) участвует в регуляции температуры тела за счет большой теплопроводности, большой теплоты испарения.
Общее содержание воды в организме взрослого человека составляет 50—60% от его массы, то есть достигает 40—45 л.
Принято делить воду на внутриклеточную, интрацеллюлярную (72%) и внеклеточную, экстрацеллюлярную (28%). Внеклеточная вода размещена внутри сосудистого русла (в составе крови, лимфы, цереброспинальной жидкости) и в межклеточном пространстве.
Вода поступает в организм через пищеварительный тракт в виде жидкости или воды, содержащейся в плотных пищевых продуктах. Некоторая часть воды образуется в самом организме в процессе обмена веществ.
При избытке в организме воды наблюдается общая гипергидратация (водное отравление), при недостатке воды нарушается метаболизм. Потеря 10% воды приводит к состоянию дегидратации (обезвоживание), при потере 20% воды наступает смерть.
Вместе с водой в организм поступают и минеральные вещества (соли). Около 4% сухой массы пищи должны составлять минеральные соединения.
Важной функцией электролитов является участие их в ферментативных реакциях.
Натрий обеспечивает постоянство осмотического давления внеклеточной жидкости, участвует в создании биоэлектрического мембранного потенциала, в регуляции кислотно-основного состояния.
Калий обеспечивает осмотическое давление внутриклеточной жидкости, стимулирует образование ацетилхолина. Недостаток ионов калия тормозит анаболические процессы в организме.
Хлор является также важнейшим анионом внеклеточной жидкости, обеспечивая постоянство осмотического давления.
Кальций и фосфор находятся в основном в костной ткани (свыше 90%). Содержание кальция в плазме и крови является одной из биологических констант, так как даже незначительные сдвиги в уровне этого иона могут приводить к тяжелейшим последствиям для организма. Снижение уровня кальция в крови вызывает непроизвольные сокращения мышц, судороги, и вследствие остановки дыхания наступает смерть. Повышение содержания кальция в крови сопровождается уменьшением возбудимости нервной и мышечной тканей, появлением парезов, параличей, образованием почечных камней. Кальций необходим для построения костей, поэтому он должен поступать в достаточном количестве в организм с пищей.
Фосфор участвует в обмене многих веществ, так как входит в состав макроэргических соединений (например, АТФ). Большое значение имеет отложение фосфора в костях.
Железо входит в состав гемоглобина, миоглобина, ответственных за тканевое дыхание, а также в состав ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. Недостаточное поступление в организм железа нарушает синтез гемоглобина. Уменьшение синтеза гемоглобина ведет к анемии (малокровию). Суточная потребность в железе взрослого человека составляет 10—30 мкг.
Йод в организме содержится в небольшом количестве. Однако его значение велико. Это связано с тем, что йод входит в состав гормонов щитовидной железы, оказывающих выраженное влияние на все обменные процессы, рост и развитие организма.
Энергетический обмен.
Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, накапливается в форме АТФ, количество которой в тканях организма поддерживается на высоком уровне. АТФ содержится в каждой клетке организма. Наибольшее количество ее обнаруживается в скелетных мышцах — 0,2—0,5%. Любая деятельность клетки всегда точно совпадает по времени с распадом АТФ.
Разрушившиеся молекулы АТФ должны восстановиться. Это происходит за счет энергии, которая освобождается при распаде углеводов и других веществ.
О количестве затраченной организмом энергии можно судить по количеству тепла, которое он отдает во внешнюю сред
Состав и виды кормов
Состав кормов. Энергия.
Вся энергия, поступающая в организм животного с кормами – это валовая энергия корма.
Энергия кормов распределяется в организме животного неравномерно. Значительная ее часть выделяется с калом, кишечными газами (у лошадей эти потери не значительны) и мочой. Оставшаяся часть используется для обеспечения работы внутренних органов (пищеварительных, сердечно-сосудистой системы, дыхания и др.), поддержания тонуса скелетных мышц для выполнения механической работы, поддержания нормальной температуры тела и др.
При определении потребности лошади в энергии и составлении рационов мы используем показатель обменной энергии, т.е. той энергии, которая необходима для обеспечения процессов жизнедеятельности, поддержания температуры тела, работы, производства продукции. В соответствии с международной системой СИ энергетическую ценность выражают в Джоулях (Дж). Для практических целей обменную энергию (ОЭ) выражают в энергетических кормовых единицах (ЭКЕ).
1 Джоуль = 0,2388 калорий
1 калория = 4,1868 Джоуля.
1 ЭКЕ ровна 10 Мега Джоулям (МДж) обменной энергии.
Спортивным лошадям в среднем требуется 8-11 МДж энергии или 0.8 -1.1 ЭКЕ на 1 кг сухого вещества рациона.
При недостатке обменной энергии в рационе снижается работоспособность, лошади худеют.
Избыточное поступление энергии может привести к повышенной возбудимости и двигательной активности животного, чрезмерному набору живой массы (ожирению).
